CN110300936B - 用于设计和加工齿轮的方法以及加工机床和计算机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于设计和加工齿轮的方法，包括：a)基于软件地计算机辅助地设计要生产的齿轮，以便获得齿轮的面向功能的几何形状，b)使用基于软件的计算机辅助的方法求出齿轮的理论上能制造的几何形状，其相当于面向功能的几何形状或者用作面向功能的几何形状的近似方案，c)提供代表了理论上能制造的几何形状的生产数据，d)借助生产数据在加工机床中加工齿轮，e)测量齿轮，以便获得实际数据组，f)执行实际数据组与生产数据的比较，以便求出修正参量，g)使用修正参量，以便由生产数据求出经修正的生产数据，或者以便在加工机床中进行加工修正，h)用加工修正再加工齿轮或者为了在加工机床中加工齿轮而使用经修正的生产数据。

Description

用于设计和加工齿轮的方法以及加工机床和计算机
技术领域
本发明涉及一种用于自动化地设计和加工齿轮的方法。本发明也涉及相应的加工机床和计算机。
背景技术
在齿轮或齿轮组对的第一设计方案与已完成安装的齿轮组之间有大量计算步骤、加工步骤和记录步骤。
齿轮的生产典型地以计算上的设计开始，所述计算上的设计借助例如用户的给定进行。在此存在不同的方案，这些方案最终全部提供设定数据组或中性数据组。所述数据组然后典型地加载到加工机床中。加工机床将数据组转化成机床数据并且借助机床数据加工齿轮工件。倘若这样生产的齿轮不符合最初的设计，那么对所述方法进行修正并且生产另外的齿轮。
目前的生产流程和加工流程变得越来越复杂并且关于精度的要求提高。此外，针对单件生产或小批量生产首先力求尽可能不生产或仅生产少量废品。
发明内容
本发明的任务是，提供一种鲁棒的方法，该方法使得能可靠和有效地设计齿轮或齿轮组对并且符合设计地制造所述齿轮或齿轮组对。
该任务通过按照一种根据本发明所述的方法解决。
本发明也涉及软件或软件模块，所述软件或软件模块设计用于，在计算机上运行本发明的方法。这种软件模块可以例如是用于用户友好地使用在用户的计算机平台上的模块化的程序系统的一部分。
本发明的所述方法，设计成基于软件的、计算机辅助的方法，该方法尽可能自主地运行。
但所述方法可以在优选的实施方式中在如下范围内结合用户，即：用户例如能在屏幕上进行输入和/或影响刀具的选择。
本发明基于一种设计方法(也叫尺寸设定阶段或设计阶段)，该设计方案适用于预定要生产的齿轮的或齿轮组的面向功能的几何形状。下文中始终提到仅一个单独的齿轮Z，其中，本发明也可以使用在齿轮组上。在所述设计方法中优选涉及齿轮的有或没有修改的纯理论的、数学的定义。优选在使用用户给定的情况下进行所述设计。
此外，本发明还基于一种用于定义齿轮的理论上能制造的几何形状的方法，其中，所述方法基于面向功能的几何形状或者建立在面向功能的几何形状的基础上。
理论上能制造的几何形状的定义优选在所有的实施方式中在考虑到可用的加工机床和/或可用的刀具或刀具系统(例如能装备有不同的棒形刀的刀头)的情况下完成。
本发明大致基于对设计相关的(理论的)方面和对生产相关的运动学的(实践的)方面的分开处理。
然后按照本发明借助传送给加工机床的设定数据或中性数据(在此通常称为生产数据)进行至少一个齿轮的生产(加工)。设定数据之前由齿轮的理论上能制造的几何形状的定义推导出或求出。
在生产所述至少一个齿轮后，测量所述齿轮，其中，求出紧接着要与设定数据比较的实际数据。
以这种方式可以优选求出至少一个修正参量，然后可以使用该修正参量来介入加工机床和/或计算匹配的生产数据。所述匹配的生产数据然后可以例如用于生产另外的齿轮(例如小批量)。
本发明因此基于一种方法，该方法包括多个方法模块或过程，所述方法模块或过程交错或者彼此重叠地建立，以便这样从设计直至生产地形成了一条鲁棒地运转的过程链，所述过程链使得能制造高质量的齿轮。
本发明在优选的实施方式中基于有针对性地选择合适的刀具并且基于定义用于加工齿轮的多轴的CNC控制的加工机床的适用的机床运动学。机床运动学优选在基于计算机的制造仿真或加工仿真的框架内求出。
优选这样来使用用于求出齿轮的理论上能制造的几何形状的基于软件的、计算机辅助的方法，即，考虑刀具的和加工机床的运动学方面。也就是说，在此优选求出了所有的运动学的相互关系。
本发明在优选的实施方式中基于使用已经存在的刀具，而不是使用经修改的刀具或几乎不必修改刀具。
本发明的一个优点是，可以尽量使用已经存在的刀具。倘若涉及能修整的磨削刀具，那么本发明的另一个优点在于这样的事实，即，可以使用标准修整方法来修整存在的刀具。与在现有技术中不同的是，在此既不基于经修改的刀具，也不基于相应修改的修整方法。
本发明还使得能制造有齿面(按照拓扑学的齿面)的啮合几何形状和/或表面结构的齿轮，所述制造尽可能符合最初的设计。本发明的方法使得能选择合适的刀具使用到合适的加工机床中，以便制造有啮合几何形状和/或表面结构的齿轮，所述齿轮尽可能接近在设计的框架内定义的面向功能的几何形状。
按照本发明，在设计中，也就是说，在求出面向功能的几何形状中，也可以预定对齿面(例如侧面球形(Flankenballigkeit)、端形(Endrücknahme)和类似物)的修改，所述修改例如是必要的，以便以期望的方式使所述齿轮与另一个齿轮作为齿轮组对配对。本发明的方法在此预定了一种尽可能有效的途径来生产这种齿轮，但其中，始终生产被视作是尽可能接近理论上预定的齿轮的近似方案的一个齿轮。原因在于，齿轮的用于提供生产数据的理论上能制造的几何形状，不同于面向功能的几何形状，并且所生产的齿轮的实际数据又偏离生产数据。
本发明允许了找到一种方法途径，其使得能鲁棒和可靠地生产/加工齿轮，该齿轮尽可能在小的公差内与面向功能的几何形状一致。
本发明可以使用在具有至少五个CNC控制的轴的CNC加工机床上。本发明尤其可以使用在铣削(例如在对角线滚铣)、刨花(例如在滚动刨花)或磨削(例如在对角线滚动磨削)齿轮时。
本发明可以既使用在单件方法中也使用在连续的子方法中。
优选在本发明的范畴内使用CNC控制的加工机床，该加工机床设计成中性数据机床。
本发明可以例如结合按照EP3034221A1所述的滚动磨削机、按照EP2520390A1所述的滚动刨花机或按照W02007012351A1所述的通用机床使用。
软件和/或软件例如安装于其上的计算机，优选具有到加工机床的接口，和/或软件能安装在加工机床上。
在此尤其通过按本发明的软件调整加工机床以使用本发明。
本发明优选使用在一个除了CNC控制的加工机床和精度测量装置外例如还包括刀具工作站(可能时有刀具调整装置)的制造环境。
本发明使得能快速和针对性地研发齿轮或齿轮组以及实现了直接紧随着的生产。
本发明能确保高质量水平并且将废品率保持在很低。此外，本发明的解决方案是鲁棒的并且因此保证了高过程安全性。
附图说明
下文中参考附图详细说明本发明的实施例。
图1A示出了本发明的方法的示意性视图；
图1B以平行的示意性视图示出了本发明的方法的流程图；
图2是本发明的方法的一个子步骤的示意性视图；
图3A是本发明的方法的另一个子步骤的示意性视图；
图3B是本发明的方法的另一个子步骤的示意性视图。
具体实施方式
结合当前的说明书使用一些术语，所述术语也使用在相关的出版物和专利中。但要注意的是，所述术语的使用应当仅为了更好的理解。专利权利要求的创造性构思和保护范围应当不被术语的特定选择而局限于所述解释。本发明可以毫无困难地转用到其它术语系统/或专业领域中。在其它专业领域中，应符合意义地使用所述术语。
在此涉及一种用于设计和加工或制造齿轮Z的方法，该方法包括多个交错的子步骤或过程。首先，结合图1A和1B说明本发明的基础的方面。图1A示出了用于加工齿轮Z的示意性图表。为了准确，所述方法以坯件或齿轮工件为出发点。但下文中始终提及齿轮Z，以便使说明书不复杂化。在图1B中平行地示出了一张极其简化的流程图，该流程图用各个(方法)方块的形式示出了重要的步骤。
在第一步骤S1中进行对要生产的齿轮Z的基于软件的、计算机辅助的设计。步骤S1的目标是提供齿轮Z的面向功能的几何形状fG。在图1A中表明，步骤S1例如可以通过软件SW1实施或辅助，软件例如在带有屏幕12.1的计算机10.1中安装和运行。
在图1A中通过箭头201象征性地表明，面向功能的几何形状fG被传送给下一步骤S2(例如软件SW2)。
在第二步骤S2中基于软件地、计算机辅助地求出所述齿轮Z的理论上能制造的几何形状thG。第二步骤S1以所提供的面向功能的几何形状fG为出发点。
步骤S2的目标是提供几何形状thG，其相当于面向功能的几何形状fG或者被视作接近面向功能的几何形状fG。通常在面向功能的几何形状fG和理论上能制造的几何形状thG之间始终存在差异。在图1A中表明，步骤S2例如可以通过软件SW2实施或辅助，软件例如在带有屏幕12.2的计算机10.2中安装和运行。
但步骤S1和S2在所有的实施方式中均能在同一个计算机10上在一个计算机网络中和/或用同一个软件SW实施。软件SW在这种情况下优选包括两个相应地构造的软件模块SW1和SW2。
作为第二步骤S2的结果，可以提供生产数据PD并且例如将该生产数据传送给加工机床50如在图1A中通过箭头202象征性示出的那样。所述生产数据PD代表了理论上能制造的几何形状thG。也就是说，理论上能制造的几何形状thG被包括在所述生产数据PD中或者通过所述生产数据PD描绘。
生产数据PD在所有的实施方式中除了理论上能制造的几何形状thG外还可以包括：
-刀具数据，
-机床运动学(包括所需的修整运动学)，
-设定测量数据。
在此使用术语“生产数据PD”，以便考虑到这样的事实，即，视软件的供应商、加工机床50的制造商而定并且视操作者而定来使用不同的数据组和/或关于通信目的不同的标准。生产数据PD典型地涉及设定数据或中性数据。
在另一步骤S3中现在真正在加工机床50中加工齿轮。作为结果，加工机床50提供一个齿轮，该齿轮在此用附图标记Z*标注，因为在起初计划要生产的齿轮Z和当前生产的齿轮Z*之间总是存在偏差(例如基于制造误差)。在所述步骤中优选使用CNC控制的加工机床50。
在另一步骤S4中现在对齿轮Z*进行测量，所述测量在加工机床50中或例如在单独的测量机床20中执行。在图1A中示例性地示出了这种单独的测量机床20。在图1A中通过箭头203象征性地表示齿轮Z*的传送。
测量齿轮Z*的目的是提供实际数据组ID。
在另一步骤S5中生产数据PD涉及实际数据组ID。优选对各个生产数据PD与实际数据组ID的各个数据进行比较，以便发现偏差并且由偏差求出至少一个修正参量△PD。
在图1A中通过软件SW3执行生产数据PD与实际数据组ID的参照。为了这个目的，将生产数据PD(参看箭头204)和实际数据组ID(参看箭头205)传送给所述软件SW3。
在另一步骤S6中，所述修正参量△PD要么设置用于介入加工机床50(参看箭头206)，要么用于求出经修正的生产数据kPD(参看箭头207)。
可以例如这样介入加工机床50，即，加工机床50在再加工同一齿轮Z*时可以进行修正，或者在加工接下来的另一个齿轮时，从一开始就以经修正的形式进行加工。
倘若应当求出经修正的生产数据kPD，那么这可以在所有的实施方式中均例如通过(重新)使用软件SW2完成，如图1A所示那样。在这种情况下，经修正的生产数据kPD通过连接202传送给加工机床50并且在那里完成至少另一个齿轮的加工。
下文中现在说明本发明的方法的其它细节并且阐释其它的实施方式。
本发明在步骤S1中基于一种设计方法，该设计方法适用于预定要生产的齿轮Z的面向功能的几何形状fG或预定齿轮组。在此，在所有的实施方式中优选涉及齿轮Z的带有或没有修改(这种修改有时也称为修正，即使这个术语并不精确)纯理论的、数学的定义。优选在步骤S1中在使用输入参量的情况下进行所述设计，输入参量例如是齿数、直径和齿宽、螺旋角和啮合角、齿高和齿顶高度、齿厚、啮合系统的选择、用于装入齿轮组的齿轮的轴间夹角和轴偏距、对要生产的齿轮组的功率传递的说明、对传动比的说明、效率、噪声情况。
输入参量可以例如以用户给定KV的形式(例如以针对齿轮组的要求轮廓的形式)预定。在图2中通过输入箭头示出了用户给定KV的使用，所述输入箭头指向方块S1的方向。
取代以用户给定KV为出发点或者作为对用户给定KV的补充，步骤S1也可以被供以(例如来自其它的研发环境)齿轮组DS的加载。因此，在图2中示出了另一个可选的输入箭头DS。
但所需的输入参量备选或附加地也能输入到系统中，在图2中通过键盘13.1示出。
结合设计可以在步骤S1中例如使用已经存在的软件，其中，必须进行改变和拓展，以便使该软件与本发明的步骤匹配。
以输入参量为出发点，在步骤S1中求出齿轮Z或齿轮组的面向功能的几何形状fG。为了这个目的，可以在软件中储存有公式F1(参看图2)或者可以加载公式或公式组。
在所述设计的框架内也可以执行下列子步骤中的一个或多个：
-计算上的强度分析(M1)；
-求出生产的公差(M2)；
-静态的和/或动态的观察(M3)；
-(例如通过齿形修改(Flankenmodifikation))在计算上优化微几何形状(M4)；
-齿轮对的两个齿轮的齿接触分析(M5)；
-修正合成(EaseOff-Synthese)(M6)。
在步骤S1中优选在所有实施方式中均能使用相应的软件模块M1至M6，如在图2中示出那样。
步骤S1可以将面向功能的几何形状fG例如直接传送给接下来的步骤S2，如通过箭头201示出的那样，或者面向功能的几何形状fG可以(暂时)储存在(中央的)数据库中。
在步骤S2中，本发明基于一种用于定义齿轮Z的理论上能制造的几何形状thG的方法，其中，所述方法以面向功能的几何形状fG为出发点或者以面向功能的几何形状fG为基础。所述方法的目标是提供设定数据或中性数据(在此通常称为生产数据PD)，它们能直接或间接地(例如通过(中央的)数据库)传送给加工机床50。
以面向功能的几何形状fG为出发点，在步骤S2中求出齿轮Z或齿轮组的理论上能制造的几何形状thG。为了这个目的，可以在软件中储存公式F2(参看图3A)，或者可以加载所述公式或公式组。理论上能制造的几何形状thG可以例如通过数字的优化方法求出，在所述优化方法中最小化在理论上能制造的几何形状thG和面向功能的几何形状fG之间的偏差或者这样来使用所述方法，使得理论上能制造的几何形状thG与面向功能的几何形状fG的偏差处在公差内。
在图3B中表明，在步骤S2的框架内可以加载例如来自数据库11的刀具数据WD。这个子步骤是可选的。
优选在步骤S2中在所有的实施方式中均使用相应的软件模块M7至Mx，如图3A所示那样。
附加地，可能在步骤S2中需要手动输入数据或进行选择，如在图3A中通过键盘13.2示出那样。
在步骤S2中优选在所有的实施方式中均使用优选形式为切割仿真(Schnittsimulation)的基于计算机的加工仿真来求出理论上能制造的几何形状thG。
在用于定义理论上能制造的几何形状thG的方法结束时，提供了生产数据PD并且将该生产数据储存起来和/或传送给加工机床50，如通过箭头202象征性示出那样。
在用于定义理论上能制造的几何形状thG的方法结束时，可选也可以进行图形表示(例如作为评估侧)，以便使用户了解理论上能制造的几何形状thG相对于面向功能的几何形状fG的偏差。
按照本发明，在定义理论上能制造的几何形状thG时处理对生产重要的细节(例如是应当使用单件方法还是连续的子方法的问题)，因为在该方法步骤中也还涉及到了运动学的方面。所述对生产重要的细节可以例如以一些软件模块M7至Mx的形式进行处理或工作。
所有的实施方式优选均包括至少一个CNC控制的加工机床50来切削加工齿轮Z。
这种加工机床50可以例如通过如下方式将生产数据PD转化成合适的机床数据，即：在加工机床50中时间和空间相协调地运行加工步骤并且进行轴运动。齿轮的切削加工在图1B中概括为步骤S3。
在步骤S3结束时，齿轮Z*直接或间接地(例如通过中间轴承)传送给加工机床50内的测量装置20或单独的测量机床20，如在图1A中示出那样。所述传送可以在所有的实施方式中均手动地、半自动地或全自动地进行。
测量装置20或测量机床20包含到了本发明的总构思中。所有的实施方式可以涉及全自动的或半自动的测量装置20或测量机床20。
从数据库(例如中央的生产数据库)读取用于测量S4(例如用于形貌测量)的生产数据PD。由测量S4得出的齿轮Z*的实际数据ID可以储存在相关的数据组中。
本发明的方法优选在所有的实施方式中均在步骤S5中执行设定/实际平衡。在使用合适的参数的情况下(例如之前在设计S1的框架中定义的公差)可以将由此确定的修正参量△PD直接或间接地(例如通过数据库或通过软件SW2)传递给加工机床50。
在实践中优选为每一个用户委托导入个性化的数据组，以便能合乎生产地并且无混淆地展开设计流程、定义流程、加工流程和测量流程。因此同时确保了所有相关的过程步骤S1-S6的完整的记录。
在所有实施方式中可以例如使用两个数据库，其中一个数据库用于研发数据(例如fG和thG)并且另一个数据库用于生产数据PD。有研发数据的数据库可以、但不是必须与加工机床50连接。有生产数据PD(也就是说有设定数据和/或中性数据)的数据库则典型地与加工机床50连接。
所提到的数据库可以全部或仅部分通过网络可达。
借助图1A说明了另一些实施方式。
在两个计算机10.1和10.2之间或者在软件SW1和SW2之间示出了可选的反馈箭头或相互作用箭头Ww。这个箭头Ww表明，可能存在步骤S1和S2之间的一种迭代。这在此借助简单的示例说明。
在步骤S1中进行纯理论的、数学的观察。仅步骤S2才涉及到实践。因此完全可以考虑在步骤S1中研发面向功能的几何形状fG，该几何形状在步骤S2中被证实几乎无法生产或无法经济合理地生产。
步骤S2现在可以提供针对计划的生产的尽可能的近似方案。但倘若所述近似方案不符合例如用户的预期，那么必须弃用这种近似方案。在这种情况下，本发明的方法可以返回分支到步骤S1，以便给用户在面向功能的几何形状fG方面提供修正的可能性。
用于求出齿轮Z的理论上能制造的几何形状的步骤S2的方法，可以设计成迭代式方法，以便使用户能(例如从图3B的刀具数据库11)选择第一刀具并且借助所述第一刀具的刀具数据WD求出齿轮Z的理论上能制造的几何形状thG，并且倘若不合适，那么就使用户能选择第二刀具并且借助所述第二刀具的刀具数据WD求出刀具Z的理论上能制造的几何形状thG。
步骤S2可以在所有的实施方式中也提供计算刀具的优化的刀具数据WD作为可选项。所述优化的刀具数据WD说明了一种刀具，该刀具对借助生产数据PD在加工机床50中加工(步骤S3)齿轮Z而言是优化的。用户现在能借助所述优化的刀具数据WD组装刀具(例如通过磨快棒形刀和为所述棒形刀装备刀头，或者修整磨盘或选择修整刀具)，或者可以例如在刀具制造商那里订制相应的刀具。
附图标记列表
Figure GDA0003890300450000111
Figure GDA0003890300450000121

Claims (12)

1.一种用于设计和加工齿轮的方法(200)，所述方法具有下列步骤：
a)基于软件地、计算机辅助地设计(S1)要生产的齿轮(Z)，以便获得齿轮(Z)的面向功能的几何形状(fG)，
b)使用基于软件的、计算机辅助的方法(S2)来求出齿轮(Z)的理论上能制造的几何形状(thG)，所述理论上能制造的几何形状相当于面向功能的几何形状(fG)或者所述理论上能制造的几何形状用作面向功能的几何形状(fG)的近似方案，
c)提供代表了理论上能制造的几何形状(thG)的生产数据(PD)，
d)借助生产数据(PD)在CNC控制的加工机床(50)中加工(S3)齿轮(Z*)，
e)测量(S4)齿轮(Z*)，以便获得实际数据组(ID)，
f)执行实际数据组(ID)与生产数据(PD)的比较(S5)，以便求出至少一个修正参量(△PD)，
g)使用(S6)修正参量(△PD)，以便由生产数据(PD)求出经修正的生产数据(kPD)，或者以便在加工机床(50)中进行加工修正，
h)利用加工修正再加工齿轮(Z*)或者为了在加工机床(50)中加工至少另一个齿轮而使用经修正的生产数据(kPD)。
2.按照权利要求1所述的方法(200)，所述方法具有下列附加的步骤：
-提供刀具数据(WD)，以便能在所述步骤b)中在求出所述齿轮(Z)的所述理论上能制造的几何形状(thG)时考虑到所述刀具数据。
3.按照权利要求1所述的方法(200)，其中，所述方法在所述步骤b)中为了求出所述齿轮(Z)的理论上能制造的几何形状(thG)而设计成迭代式的方法，以便使用户能选择第一刀具并且借助所述第一刀具的刀具数据求出所述齿轮(Z)的理论上能制造的几何形状(thG)，以及倘若理论上能制造的几何形状(thG)不适合，那么使用户能选择第二刀具并且借助所述第二刀具的刀具数据求出所述齿轮(Z)的理论上能制造的几何形状(thG)。
4.按照权利要求1所述的方法(200)，所述方法具有下列附加的步骤：
-计算如下刀具的优化的刀具数据(WD)，所述刀具对于在所述加工机床(50)中借助所述生产数据加工所述齿轮(Z)而言是优化的。
5.按照权利要求4所述的方法(200)，所述方法具有下列附加的步骤：
-选择如下刀具，所述刀具符合优化的刀具数据或具有能相比拟的刀具数据。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的方法(200)，其特征在于，在所述步骤b)中为了求出所述齿轮(Z)的理论上能制造的几何形状(thG)而执行基于计算机的加工仿真。
7.按照权利要求1至5中任一项所述的方法(200)，其特征在于，在所述步骤b)和a)之间存在相互作用(Ww)，所述相互作用使用户能至少部分重新运行所述步骤a)，以便获得所述齿轮(Z)的匹配的面向功能的几何形状。
8.按照权利要求7所述的方法(200)，其特征在于，所述方法专门设计用于，借助现有的刀具和现有的加工机床(50)求出所述生产数据(PD)。
9.按照权利要求8所述的方法(200)，其特征在于，所述生产数据(PD)在所述步骤d)中在CNC控制的加工机床(50)中预定了用于加工齿轮的结合实际的加工策略。
10.按照权利要求1至5中任一项所述的方法(200)，其特征在于，在所述步骤b)中为了求出所述齿轮(Z)的理论上能制造的几何形状(thG)而执行形式为切割仿真的基于计算机的加工仿真。
11.加工机床(50)，其包括计算机或者能与计算机(10.1、10.2)或计算机网络连接，以便实施按照权利要求1至10中任一项所述的方法(200)。
12.计算机，在所述计算机中安装有软件并且所述计算机能与制造环境连接，所述制造环境包括至少一个用于切削加工齿轮(Z)的加工机床(50)并包括精度测量装置(20)，其中，当软件运行时，软件实施按照权利要求1至10中任一项所述的方法(200)的步骤。
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